La structure cachée derrière une classe de matériaux largement utilisée

Zach Winn

Des matériaux appelés ferroélectriques relaxeurs sont utilisés depuis des décennies dans des technologies telles que les ultrasons, les microphones et les systèmes sonar. Leurs propriétés uniques proviennent de leur structure atomique, mais cette structure a obstinément échappé à toute mesure directe.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du MIT et d’ailleurs a caractérisé directement pour la première fois la structure atomique tridimensionnelle d’un ferroélectrique relaxeur. Les résultats, qui seront publiés dans Science, fournissent un cadre pour affiner les modèles utilisés pour concevoir les dispositifs de calcul, d’énergie et de détection de nouvelle génération.

« Maintenant que nous comprenons mieux ce qui se passe exactement, nous pouvons mieux prédire et concevoir les propriétés que nous voulons que les matériaux aient », explique l’auteur correspondant James LeBeau, professeur Kyocera de science et génie des matériaux au MIT. « La communauté de recherche développe encore des méthodes pour concevoir ces matériaux, mais pour prédire les propriétés que ces matériaux auront, il faut savoir si votre modèle est correct. »

Dans leur article, les chercheurs décrivent comment ils ont utilisé une technique émergente pour révéler la distribution des charges électriques dans le matériau, avec un résultat surprenant.

« Nous avons réalisé que le désordre chimique que nous avons observé dans nos expériences n’avait pas été pleinement pris en compte auparavant », déclarent les co-premiers auteurs Michael Xu, PhD ’25, et Menglin Zhu, tous deux postdocs au MIT. « En collaboration avec nos partenaires, nous avons pu fusionner les observations expérimentales avec des simulations pour affiner les modèles et mieux prédire ce que nous observons dans les expériences. »

Aux côtés de Zhu, Xu et LeBeau dans l’article figurent Colin Gilgenbach et Bridget R. Denzer, doctorants en science et génie des matériaux au MIT ; Yubo Qi, professeur assistant à l’Université de l’Alabama à Birmingham ; Jieun Kim, professeur assistant à l’Institut supérieur coréen des sciences et technologies ; Jiahao Zhang, ancien doctorant à l’Université de Pennsylvanie ; Lane W. Martin, professeur à l’Université Rice ; et Andrew M. Rappe, professeur à l’Université de Pennsylvanie.

Explorer les matériaux désordonnés

Les principales simulations des ferroélectriques relaxeurs suggèrent que lorsqu’un champ électrique est appliqué, les interactions des atomes chargés positivement et négativement dans différentes nanorégions du matériau contribuent à des capacités exceptionnelles de stockage d’énergie et de détection. Les détails de ces nanorégions ont été impossibles à mesurer directement jusqu’à présent.

Pour leur article dans Science, les chercheurs ont étudié un matériau ferroélectrique relaxeur utilisé dans les capteurs, actionneurs et systèmes de défense : un alliage de niobate de magnésium et de plomb et de titanate de plomb. Ils ont utilisé une technique de mesure émergente, appelée ptychographie électronique multi-coupes (MEP), dans laquelle les chercheurs déplacent une sonde nanométrique d’électrons de haute énergie sur un matériau et mesurent les motifs de diffraction électronique résultants.

« Nous procédons de manière séquentielle, et à chaque position, nous acquérons un motif de diffraction », explique Zhu. « Cela crée des zones de chevauchement, et ce chevauchement contient suffisamment d’informations pour utiliser un algorithme de reconstruction itérative des informations tridimensionnelles sur l’objet et la fonction d’onde électronique. »

La technique a révélé une hiérarchie de structures chimiques et polaires allant de l’échelle atomique à l’échelle mésoscopique. Les chercheurs ont également constaté que de nombreuses régions de polarisation différente dans le matériau étaient beaucoup plus petites que prévu par les principales simulations. Les chercheurs ont ensuite réinjecté leurs nouvelles données dans ces simulations informatiques et affiné les modèles pour mieux refléter leurs découvertes dans différentes conditions.

« Auparavant, ces modèles comportaient essentiellement des régions de polarisation aléatoires, mais ils ne disaient pas comment ces régions corrèlent entre elles », explique Xu. « Maintenant, nous pouvons fournir cette information et voir comment des espèces chimiques individuelles modulent la polarisation en fonction de l’état de charge des atomes. »

Vers de meilleurs matériaux

Zhu explique que l’article démontre le potentiel de la ptychographie électronique pour étudier des matériaux complexes et ouvre de nouvelles voies de recherche sur des matériaux complexes et désordonnés.

« Cette étude est la première fois qu’au microscope électronique nous avons pu relier directement la structure polaire tridimensionnelle des ferroélectriques relaxeurs aux calculs de dynamique moléculaire », explique Xu. « Cela prouve en outre que l’on peut obtenir des informations tridimensionnelles sur l’échantillon en utilisant cette technique. »

Les chercheurs estiment également que l’approche pourrait un jour aider à concevoir des matériaux aux comportements électroniques avancés pour une gamme de technologies améliorées de stockage de mémoire, de détection et d’énergie.

« La science des matériaux intègre davantage de complexité dans le processus de conception des matériaux – que ce soit pour les alliages métalliques ou les semi-conducteurs – à mesure que l’IA s’est améliorée et que nos outils de calcul sont devenus plus avancés », explique LeBeau. « Mais si nos modèles ne sont pas suffisamment précis et que nous n’avons aucun moyen de les valider, c’est du « garbage in, garbage out ». Cette technique nous aide à comprendre pourquoi le matériau se comporte comme il le fait et à valider nos modèles. »

Les travaux ont été soutenus, en partie, par le laboratoire de recherche de l’armée américaine, le bureau de recherche navale américain, le département de la guerre américain et une bourse nationale de la science pour les études supérieures. Les chercheurs ont également utilisé les installations du MIT.nano.

Article : Bridging experiment and theory of relaxor ferroelectrics with multislice electron ptychography – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : MIT